半導體制冷服設計方法研究進展

聶思萱, 尹 虎, 聶亞東

(北京航空航天大學, 北京 100191)

一些特殊環境下作業的工作人員需要持續暴露在高溫的環境中,如交警、消防員、煉鋼廠工人等。人在高溫環境中長時間工作會變得焦躁易怒,難以集中注意力,這不僅影響生產效率,導致作業事故[1],而且還會引發心血管緊張或急性心血管疾病,危害人體身體健康[2]。制冷服作為一種可調節溫度的服裝,能在高溫環境中制造一個相對舒適的人體微環境,在特定條件下也可幫助包括患者、運動員、士兵等在內的人群進行體溫調節和控制[3]。

制冷服的制冷方式有半導體制冷、相變制冷、強制風冷、混合制冷等。半導體制冷器的基本單元是熱電偶對,通電情況下,熱電偶一端放熱,另一端吸熱,其具有質量輕、體積小、噪聲低、環保、溫度控制精確的優勢[4],在制冷服領域具備較好應用前景。但半導體制冷服也存在熱損失大、制冷效率低的問題,同時,制冷服作為可調節人體微環境的服裝,需要最大限度地降低熱應激,提高人體的熱舒適性。這些都是在設計中需要解決的難題。本文對近年來該領域國內外研究成果進行綜述,將半導體制冷服的制冷系統分為冷源模塊和冷端傳熱模塊2部分,以此深入探究具備高制冷效率和高舒適度的半導體制冷服制冷系統的設計方法。

1 半導體制冷服的冷源模塊

半導體制冷服的冷源模塊由制冷部分和熱端散熱部分組成。在設計冷源模塊時,應該考慮用戶穿著時的工況以確定制冷服熱負荷[5],在保證達到制冷量需求的同時提高冷源模塊的制冷效率。

1.1 提高冷源制冷效率的方法

制冷元件部分:通常情況下,制冷元件可按最大制冷量和最大制冷系數2種要求進行設計[6]。選擇半導體制冷元件要同時考慮系統熱負荷、元件制冷系數、服裝工作的外部環境[7]以及制冷元件需要達到的冷端溫度,從而確定制冷元件的型號和級數。

電源動力部分:控制輸入可提高半導體制冷服的制冷效率。一定范圍內,由于散熱的限制,存在最佳的工作電壓[8]和工作電流[9]。通過脈沖輸入實現間歇性降溫能夠在降低能耗的同時保證制冷服制冷效果[10]。此外,可根據穿著者的皮膚溫度來控制輸入,最大限度地提高制冷效率,延長冷卻時間[11]。

熱端散熱部分:制冷元件的最大冷卻能力隨熱端散熱性能的增強而增大[12]。對在較高溫環境下和大功率下運行的半導體制冷系統,提升其散熱能力是提高服裝制冷性能的必要措施。

1.2 改善熱端散熱的方法

改善散熱可有效提高半導體制冷服的制冷效率。首先需要降低半導體與熱端散熱器之間的接觸熱阻;其次需要根據半導體熱負荷選擇合適的散熱方式。半導體制冷裝置一般的熱端散熱方法有自然對流散熱、風冷散熱、水冷散熱和熱管散熱等。通常自然對流散熱應用在小功率、小制冷量的半導體制冷裝置中[13-14],并不能滿足半導體制冷服的散熱要求[15]。

1.2.1 風冷散熱

風冷散熱對于半導體制冷服是可行的方法[16]。散熱器風扇的效能主要取決于扇葉直徑、軸向長度、風扇轉速和扇葉形狀[6]等。風扇性能優化帶來的轉速、風量的提高都可提高其散熱效率。D′Angelo等[17]研究證明,熱電冷卻器組件在低功耗(15～24 V)狀態下,風冷散熱器出入風口溫度差隨兩端電壓增加而增加。

1.2.2 液冷散熱

熱端液冷散熱可使半導體液冷服的散熱板溫度迅速下降[15]。綜合散熱效果和其質量,鋁制水冷散熱盒是最佳選擇[18]。半導體制冷元件冷端溫度會隨著熱端水冷散熱入口溫度的降低和水流量的增加而降低[14]。Ren等[18]在40 ℃環境下,使用鋁-水冷散熱器,確定其實驗系統中水冷的最佳流量為0.005 6 kg/s。除水之外,使用不同循環介質鹽溶液,對于液冷散熱也會產生影響[19]。

1.2.3 熱管散熱

熱管半導體散熱器可從蒸發段、絕熱段、冷凝段結構與材質的設計,工質的選擇以及充裝量的選擇幾個方面進行優化[20]。Riffat等[21]將熱管與相變材料結合,提高了熱電制冷系統的性能以及冷卻存儲能力。Winarta等[22]將不同填充比的甲醇工質充入帶散熱器的U型熱管中,當填充率為45%和55%時,熱電冷卻箱體的制冷系數更高。

1.2.4 散熱方式對比

在選擇合適的散熱方式時要考慮散熱器散熱性能、結構、質量為使用者帶來的穿戴體驗影響。3種散熱方式的對比如表1所示。其中優缺點是指應用于半導體制冷服時顯現的優缺點。

表1 3種散熱方式的比較Tab.1 Comparison of three heat dissipation methods

2 半導體制冷服的冷端傳熱模塊

傳熱模塊的作用是將半導體制冷服制冷系統產生的冷量傳遞給人體。傳熱模塊可根據介質的不同分為氣冷傳熱、液冷傳熱和接觸傳熱。

2.1 液冷傳熱

液冷傳熱是通過液體介質在冷卻管道中循環帶走人體熱量,介質吸收熱量升溫后再次經過冷源裝置被冷卻,繼續進入下個循環[24]。半導體制冷服液冷傳熱模塊主要由冷卻管道、服裝、水泵和儲液箱組成,可使用節流閥和流量計等設備檢測和控制液流情況,模塊形式如圖1所示。對于液冷傳熱,可通過選擇高效傳熱介質、合理鋪設冷卻管道以及合理設置液流參數等方式實現效率和舒適度最大化。

圖1 液冷傳熱工作形式Fig.1 Form of liquid heat transfer

2.1.1 液冷介質

導熱系數和比熱容是液冷介質最重要的2個技術指標。常見的液冷介質有水、冰水混合物、乙烯基乙二酵與水的混合液以及丙二醇和水的混合液等。潛熱型功能熱流體也是一種較好的傳熱介質,其傳熱效率較水可增高1.5～4倍[25]。Kabeel等[26]發現,使用納米流體和水作為冷卻液,可更大限度地發揮半導體制冷元件的作用。Zhang等[27]證明水和40%甘油作為冷卻介質同樣具有一定的優勢。

2.1.2 冷卻管道的設置

液體通過冷卻管道將冷量傳遞到人體各部位。管道內外壁應光滑,具有耐蝕性和耐沖性,還應具有一定的力學強度、可伸縮性和一定的抗滲能力[28]。大多數冷卻管道使用的材質是聚氯乙烯,冷卻回路內徑一般為1.5～4 mm,外徑一般為2.9～6 mm[24]。適當增加管徑可提高傳熱效率。

冷卻管的分布對整個系統制冷效果和穿著熱舒適度產生影響,根據排布范圍,將液冷服分為局部液冷服和全身液冷服。局部液冷服主要覆蓋軀干、四肢等,僅覆蓋軀干的冷卻管道長度一般為15～30 m。李利娜[25]則使用聚氨酯制作管道,證明高密排管的液冷服其散熱性能明顯優于低密排管,但管長同時還要受到基礎服裝尺寸、泵壓、穿著舒適性等方面的限制。尹勇等[28]設計的半導體液冷管道總長為 44 m, 屬于軀干高密度冷卻管鋪設方法。全身式水冷服總管范圍一般為90～110 m[29]。全身性、可覆蓋軀干和四肢的多回路液冷服在適應人體不同部位熱感覺和舒適性要求方面更有效;但由于半導體制冷的效率有限,所以現有研究仍多為局部單回路液冷服。為提高液冷傳熱效率,冷卻管可根據不同的工作狀態在不同部位排布,當人體處于休息、步行或身體局部工作等狀態時,冷卻管分布也應有所不同[30-31]。軀干處管道橫向排列時彎曲方向與人體軀干部的彎曲方向一致,貼合程度高, 換熱效果較縱向更明顯[32]。

2.1.3 液流參數

液體在管道中流動帶走人體的熱量,液體的入口溫度、流量和流速是影響液冷服制冷效率和熱舒適度的關鍵參數。

入口溫度對人體散熱量的影響較明顯。制冷量與入口溫度呈近似線性關系,入口溫度越低,散熱量越大,但溫度低于10 ℃的液冷介質可能會對穿著者造成難以接受的熱感覺[33-34]。Zhang等[27]使用水冷方式確定在環境溫度為35 ℃時的最佳進水溫度為22 ℃,可使小氣候區的平均溫度降至 28.5 ℃, 相對濕度由90%降至58%。液流量增加在一定范圍內可提高降溫效率,但只有在一定的制冷條件下,流量才對冷卻效果有較大的影響[35]。液流速的增加可使半導體元件冷端與循環水之間的換熱得到強化,并且減小換熱溫差[36]。液流速增大,制冷效率提升,但當流速增加到一定值,散熱效率增加速度也會變緩,同時又會對管道以及水泵產生一定的沖擊力和壓力,因此,設計液冷服時流速選取范圍一般為70～100 kg/h[37]。

2.2 風冷傳熱

半導體風冷服采用空氣傳熱的方式,通過半導體制冷元件降低空氣溫度,再借助風機/風扇驅動,將低溫空氣吹入服裝,實現人體降溫。半導體風冷傳熱部分包括風扇(風機)、基礎服裝及通風管道(不必需),形式如圖2所示。通過風扇實現強迫風冷、對流換熱的同時促進人體汗液的蒸發,不同工況條件如環境溫濕度和勞動強度均對風冷服的影響較大[38]。對于風冷傳熱,選擇合適的風通道、控制氣流參數都是提升制冷服制冷效率和熱舒適度的方法。

圖2 風冷傳熱工作形式Fig.2 Form of air heat transfer

2.2.1 氣體通道結構

風冷服通常會將風扇產生的氣體導入服裝夾層中,夾層通過其內部結構實現風的導流,將冷空氣分布到身體各處,半導體風冷服內部結構可分為囊式和管路式2種類型。通道設計同時需要考慮使用者的熱舒適性及穿戴舒適性等問題。

囊式風冷服內部沒有固定的氣體通道,冷氣經由總管路進入服裝夾層后,從內層的透氣小孔吹至人體表面[39]。同時服裝夾層中一般會設置襯墊,目的是支撐起足夠的空間,避免氣流堵塞。因為沒有束縛的氣體通道,囊式風冷服雖然有較好的貼身性,但通入冷氣后易引起衣物膨脹,影響穿著人員工作,而且冷氣分配不均,制冷方式比較粗放[40]。其中,出風口和風扇的位置是囊式風冷服設計的2個重要參數[41]。

管路式風冷服由柔性軟管輸氣,所有管路均布置在服裝夾層中。管路包括集氣管和分支管,其中分支管有2種開孔方式:第1種是在分支管的終端開口[42-43],冷氣由分支管終端流出;第2種是分支管終端不開口,管路表面開有若干小孔,冷氣從各個小孔流出[40]。

許鵬飛[40]設計了螺旋式、橫向式、縱向式3種半導體風冷服管路系統模式(見圖3),3種管路直徑為22 mm,孔數量為19個,小孔直徑均為 16 mm。 研究發現,縱向式模型能夠達到最好的制冷效果。

圖3 螺旋式與橫向式及縱向式風冷服Fig.3 Spiral (a), horizontal (b) and vertical (c) air-cooled clothing

米立華[44]設計了用橡膠材料制成的肩部連體管道式馬甲,在體表形成導流間隙,并分別利用管路進行了不同微孔間距和不同供氣支管根數模擬研究。Lou等[42]設計了樹型風冷管道,并通過數學計算和實驗的方法驗證了增加管道內徑可增加風冷服的風冷效率。根據氣體流量設置樹形主管道與分支管道直徑比可使冷量傳遞效率達到最佳。Lou等[43]利用如圖4所示裝置,證明了出風口位置可顯著影響空氣傳熱效率的結論。其中:對于熱空氣,位置3的發熱功率顯著低于位置2和位置1;對于冷空氣,位置2表現出明顯高于位置1的冷卻能力。

圖4 Y形空氣分配系統出風口的不同位置Fig.4 Different air shunt positions of Y-shaped air distribution system.(a) Position 1; (b) Position 2; (c) Position 3

2.2.2 氣流參數

風速、通風量和風溫是3個重要的影響半導體風冷服制冷效率的因素,同時又影響到人體的熱舒適性。

增大進氣速度有利于提高風冷服的制冷性能,但隨著進氣速度的增大,制冷性能增加速度變緩[40]。同時,進氣口風速的增加意味著空氣更快地通過冷端熱交換器,也會導致氣體通過制冷元件冷端產生的溫差減小[17]。

服裝尺寸和通風量對人體表觀蒸發阻力和人體熱損失有顯著影響[45]。同時,風冷服各部位空間大小和通風量可影響氣流阻力,所以控制管道管徑和服裝尺寸十分重要[46]。在相同勞動強度下,在一定范圍內增大通風量,皮膚溫度降低,雖然降低程度較少,但人體舒適感會增強[47]。

人體平均皮膚溫度、服裝夾層和外界環境的溫度差都與風冷服進氣溫度成近似線性關系[40],改變風溫是一種有效影響制冷的手段。Choudhary等[48]建立了可分析服裝微氣候下的氣體流動和傳熱行為的數值模型,用于確定通風服裝的冷卻性能。研究發現,當風冷夾克工作時,在下背部、腰部和腹部區域具有更高空氣間隙和空氣流通速度,熱通量和傳熱系數也更高。陳盛祥等[49]通過研究擋板型、均流器型和直吹型3種進氣口形式(如圖5所示)對空氣層溫度和流速的影響發現:擋板型進風有利于氣體冷卻服的服裝空氣層溫度的均勻性,但平均溫度較高;直吹型進風的對流散熱量最大。

圖5 擋板型和均流器型及直吹型進風形式Fig.5 Baffle type(a), flow sharing type(b) and direct blowing type(c) air inlet

2.3 接觸傳熱

直接接觸傳熱是將半導體制冷元件冷端與人體接觸,研究對象大都為可穿戴半導體。冷端一般需要以特定材質的導熱膜和柔性基底為依托,或利用特定方法將半導體制冷元件集成到服裝中。丁喜梅[14]提出一種半導體制冷服,使用石墨烯材料導熱膜與半導體制冷元件相結合后再與人體接觸。Yang等[50]使用4塊半導體制冷片,通過硅膠薄墊和石墨烯直接與人體接觸制作實驗裝置,探究得出在軀干區域設置的4個降溫部位中,上背部最適合局部降溫,而胸部最不適合。Hong 等[51]設計了一款靈活可穿戴的柔性半導體制冷元件(TED),使用一種薄的多孔網狀織物覆蓋TED,并將TED集成到一款對人體皮膚具有長期、節能降溫和加熱效果的可穿戴服裝中,無需散熱片即可對皮膚產生超過 10 ℃ 的巨大降溫效果。Dabrowska等[9]使用帶散熱器的柔性熱電模塊和“皮膚模型”直接接觸組成系統進行測試。經驗證,該系統熱通量會隨環境溫度的升高而降低,利用蒸發效應的散熱器是該系統最有效的散熱方式。直接接觸的傳熱方式在局部制冷方面顯現出優勢,如Embr實驗室公司開發的Embr Wave腕帶的商用半導體制冷可穿戴手環,其冷卻面積為6.25 cm2,相較其它制冷和傳冷方式,制造了更小的局部制冷面積和裝置體積。

2.4 傳熱方式對比

在選擇傳熱方式時,需要考慮制冷服的工作工況以及傳熱部分的傳熱性能、結構、質量等因素。各傳熱方式的特點對比如表2所示。傳熱部分仍需解決的問題有:在保證制冷量不損失的前提下,盡可能減輕液冷裝置質量;均勻液冷冷卻管各部分溫度防止出現過冷;減少風冷傳熱時的熱損失等。接觸傳熱中使用柔性熱電模塊和基底以及散熱問題仍是重要的研究方向。

表2 3種傳熱方式的比較Tab.2 Comparison of three heat transfer methods

3 服裝微環境熱舒適度評價

制冷服的穿著熱舒適度實驗是評估制冷服效能,檢驗制冷服設計新概念,優化設計參數的重要方式。現有文獻對半導體制冷服熱舒適度研究較少,但實驗者可通過了解其它制冷方式下的制冷服熱舒適度實驗,建立半導體制冷服熱舒適度的實驗方法。

熱舒適度實驗需要考慮的因素是多元的,除裝置本身外,環境條件、實驗方案、人體狀態等均可能成為實驗中的可變參數,要保證制冷服可適應多種工況下的熱舒適就要從多個方面進行考量。

裝置方面,對于液冷服裝來說,熱舒適度影響因素有服裝結構、液流參數、裝置覆蓋面積和位置[50]、液冷服內層織物的選擇[52]等。對于風冷服裝來說,熱舒適度影響因素有氣流參數、服裝結構、服裝空氣流通空間和空氣流通性能等[46]。實驗中可改變的還包括裝置的運作情況如間歇運作以及裝置的負荷情況等[53-54]。實驗時裝置外服裝的選擇往往取決于制冷服的應用場景,隔熱性是重要指標,外服裝的選擇通常包括個人防護裝備[52]如消防服[55],或鍍鋁防護服[56]等。

外部環境方面最常改變的參數是溫度[57-58],濕度等。實驗中,氣溫變化范圍通常在24～40 ℃,穩態變化單次變化幅度通常為2～5 ℃。皮膚溫度感受器具備動態特性,適當設計瞬態熱環境可實現更好的實驗效果[59]。除改變空氣溫度外,還可探究輻射溫度的影響[60]。溫度的變化方向、變化率也對熱舒適度產生影響。實驗環境主要為人工氣候室和真實室外環境[61]。

在進行人體著裝實驗時需要考慮被試者的自身因素,主要表現為個體差異如性別、年齡、身體健康狀況等[62]。被試者的熱歷史和身體適應情況也需考慮在內[63]。在實驗時,被試者的身體姿勢[43]、行為狀態[64-65]、勞動強度等[52]也是影響制冷服穿著舒適度的重要因素[54-55]。為尋找裝置的舒適邊界,實驗可允許被試者自愿控制服裝的冷卻程度[66]。

熱舒適度評價指標通常有:各種生理參數[67]如平均及局部皮膚溫度、核心溫度、心率、腦電等;服裝微環境參數如溫濕度等;主觀評估如熱感覺、熱舒適度量表等。可在不同使用場景和角色的情況下使用不同的評價參數。熱舒適度死區[42]、不舒適時間比[8]等也可以作為評價的標準。

除人體實驗之外,建立舒適模型是高效分析和評估制冷服舒適度的方法。舒適模型除了可探究各種參數對制冷服舒適度的影響,還可用來確定冷源部分的最優配置方案[40,68],估計制冷服的冷卻效率[69]以及預測人體穿著制冷服時的舒適度[70]。

4 結束語

半導體制冷服一方面需要在高制冷效率下滿足人體所需的制冷量,另一方面需要最大限度提升人體的熱舒適度。本文主要總結了半導體制冷服的設計和優化方法,包括設計之初熱負荷的確定,風冷、液冷和接觸傳熱方式中各參數的確定,3種傳熱方式的優缺點以及3種散熱方法的優缺點,可為設計者實現半導體制冷服舒適度和制冷效率的最大化提供參考。同時,本文總結的一些方法同樣適用于半導體制熱服的設計,雙制特性將成為未來半導體作為空調服冷源的優勢之一。但是,目前在此領域還存在一些問題,從半導體本身出發,其制冷效率遠遠低于傳統制冷方法,傳熱過程也存在熱損失。各種傳熱、散熱方式目前都還存在短板,這對兼顧美觀、便攜、可控、高舒適度、適用于多場景的半導體制冷服設計是一種挑戰。未來的研究方向建議側重以下幾個方面。

1)采集服裝微環境溫度和人體體表溫濕度參數并對制冷服形成反饋,實現智能控溫和智能參數控制。輸入脈沖電流,可降低能耗,提升用戶的穿戴體驗。

2)半導體有既可制冷又可制熱的特點,而且其制熱效率高,針對半導體雙制空調服展開更具體的研究,可豐富空調服的使用場景。

3)柔性可穿戴半導體制冷服是未來制冷服的發展方向之一,可考慮將熱電偶與織物結合,攻克現在存在的效率、散熱等方面的瓶頸,將大大降低用戶的穿戴負擔。